Imagine a distant future when humans reach beyond our pale blue dot, forge cities on planets thousands of light-years away, and maintain a galactic web of trade and transport. What would it take for our civilization to make that leap? There are many things to consider— how would we communicate? What might a galactic government look like? And one of the most fundamental of all: where would we get enough energy to power that civilization— its industry, its terraforming operations, and its starships?
Immaginate un lontano futuro in cui gli umani siano andati oltre il nostro pallido puntino azzurro, abbiano costruito città su pianeti lontani migliaia di anni-luce e gestiscano una rete galattica di commerci e trasporti. Di cosa avrebbe bisogno la nostra civiltà per fare questo salto? Ci sono molte cose da considerare: come comunicheremmo? Come sarebbe un governo galattico? E una questione fondamentale: dove prenderemmo l'energia necessaria per alimentare questa civiltà, le industrie, le operazioni per terraformare e le navi spaziali?
An astronomer named Nikolai Kardashev proposed a scale to quantify an evolving civilization’s increasing energy needs. In the first evolutionary stage, which we’re currently in, planet-based fuel sources like fossil fuels, solar panels and nuclear power plants are probably enough to settle other planets inside our own solar system, but not much beyond that. For a civilization on the third and final stage, expansion on a galactic scale would require about 100 billion times more energy than the full 385 yotta joules our sun releases every second. Barring a breakthrough in exotic physics, there’s only one energy source that could suffice: a supermassive black hole.
Un astronomo di nome Nikolai Kardashev ha proposto una scala per quantificare la crescente richiesta energetica di una civiltà in evoluzione. Nel primo stadio evolutivo, in cui noi siamo attualmente, le fonti energetiche del pianeta, come i combustibili fossili, i pannelli solari e le centrali nucleari, sono forse sufficienti per raggiungere gli altri pianeti del sistema solare ma non per andare molto oltre. Per una civiltà al terzo e ultimo stadio, l'espansione su scala galattica richiederebbe circa 100 miliardi di volte più energia di tutti i 385 yottajoule che il nostro sole rilascia ogni secondo. Salvo una svolta nella fisica esotica, c'è una sola fonte di energia che potrebbe essere sufficiente:
It’s counterintuitive to think of black holes as energy sources, but that’s exactly what they are, thanks to their accretion disks: circular, flat structures formed by matter falling into the event horizon.
un buco nero supermassiccio. Pensare ai buchi neri come fonti di energia è controintuitivo, ma questo è esattamente ciò che sono, grazie ai loro dischi di accrescimento, strutture piatte e circolari formate dalla materia
Because of conservation of angular momentum, particles there don’t just plummet straight into the black hole. Instead, they slowly spiral. Due to the intense gravitational field of the black hole, these particles convert their potential energy to kinetic energy as they inch closer to the event horizon. Particle interactions allow for this kinetic energy to be radiated out into space at an astonishing matter-to-energy efficiency: 6% for non-rotating black holes, and up to 32% for rotating ones. This drastically outshines nuclear fission, currently the most efficient widely available mechanism to extract energy from mass. Fission converts just 0.08% of a Uranium atom into energy.
che cade nell'orizzonte degli eventi. A causa della conservazione del momento angolare, le particelle lì non precipitano direttamente nel buco nero, ma si muovono lentamente a spirale. Per effetto dell'intenso campo gravitazionale del buco nero, le particelle convertono la loro energia potenziale in energia cinetica mentre si avvicinano all'orizzonte degli eventi. L'interazione fra particelle permette all'energia cinetica di essere irradiata nello spazio a una stupefacente efficienza di conversione della materia in energia: 6% per i buchi neri non rotanti e fino al 32% per quelli rotanti. Questo mette drasticamente in ombra la fissione nucleare, attualmente il meccanismo più efficiente e largamente disponibile per estrarre energia dalla massa. La fissione converte solamente lo 0,08% dell'atomo di uranio in energia.
The key to harnessing this power may lie in a structure devised by physicist Freeman Dyson, known as the Dyson sphere. In the 1960s, Dyson proposed that an advanced planetary civilization could engineer an artificial sphere around their main star, capturing all of its radiated energy to satisfy their needs. A similar, though vastly more complicated design could theoretically be applied to black holes. In order to produce energy, black holes need to be continuously fed— so we wouldn’t want to fully cover it with a sphere. Even if we did, the plasma jets that shoot from the poles of many supermassive black holes would blow any structure in their way to smithereens.
Il segreto per sfruttare questa energia potrebbe trovarsi in una struttura ideata dal fisico Freeman Dyson, conosciuta come la sfera di Dyson. Negli anni '60, Dyson propose l'idea che una civiltà planetaria avanzata potesse creare una sfera artificiale in cui racchiudere la stella principale, acquisendo tutta l'energia irradiata dalla stella per soddisfare i propri bisogni. Un progetto simile, ma ben più complesso, potrebbe, in teoria, essere applicato ai buchi neri. Per produrre continuamente energia i buchi neri devono essere continuamente nutriti. Quindi, non sarebbe il caso di coprirli con una sfera. Anche se lo facessimo, i getti di plasma sparati dai poli di molti buchi neri supermassicci
So instead, we might design a sort of Dyson ring, made of massive, remotely controlled collectors. They’d swarm in an orbit around a black hole, perhaps on the plane of its accretion disk, but farther out. These devices could use mirror-like panels to transmit the collected energy to a powerplant, or a battery for storage. We’d need to ensure that these collectors are built at just the right radius: too close and they’d melt from the radiated energy. Too far, and they’d only collect a tiny fraction of the available energy and might be disrupted by stars orbiting the black hole. We would likely need several Earths worth of highly reflective material like hematite to construct the full system— plus a few more dismantled planets to make a legion of construction robots. Once built, the Dyson ring would be a technological masterpiece, powering a civilization spread across every arm of a galaxy.
farebbero esplodere in mille pezzi qualsiasi struttura. Invece, potremmo progettare una sorta di anello di Dyson fatto di poderosi collettori controllati a distanza che orbiterebbero attorno al buco nero, sul piano del disco di accrescimento, magari, ma più lontano. Questi dispositivi potrebbero usare pannelli a specchio per trasmettere l'energia raccolta a una centrale o a una batteria per conservarla. Avremmo bisogno di assicurarci che i collettori siano costruiti alla giusta distanza: se troppo vicini si scioglierebbero per l'energia irradiata; se troppo lontani, raccoglierebbero solo una piccola frazione dell'energia e potrebbero essere disturbati dalle stelle orbitanti attorno al buco nero. Ci servirebbe una quantità equivalente a vari pianeti Terra di materiale altamente riflettente, come l'ematite, per costruire l'intero sistema, più qualche pianeta smantellato per fare una legione di robot costruttori. Una volta costruito, l'anello di Dyson sarebbe un capolavoro della tecnologia
This all may seem like wild speculation. But even now, in our current energy crisis, we’re confronted by the limited resources of our planet. New ways of sustainable energy production will always be needed, especially as humanity works towards the survival and technological progress of our species. Perhaps there’s already a civilization out there that has conquered these astronomical giants. We may even be able to tell by seeing the light from their black hole periodically dim as pieces of the Dyson ring pass between us and them. Or maybe these superstructures are fated to remain in the realm of theory. Only time— and our scientific ingenuity— will tell.
che fornirebbe energia a una civiltà diffusa in ogni angolo della galassia. Tutto questo può sembrare solo un'ipotesi fantasiosa. Eppure, perfino ora, durante la crisi energetica, dobbiamo confrontarci con la limitatezza delle risorse del nostro pianeta. Ci sarà sempre bisogno di nuovi metodi per produrre energia sostenibile, specialmente perché l'umanità lavora per la sopravvivenza e il progresso tecnologico della nostra specie. Magari esiste già una civiltà che ha raggiunto questi giganti astronomici. Potremmo anche capirlo vedendo la luce dal loro buco nero offuscarsi periodicamente quando parti dell'anello di Dyson passano fra noi e loro. O forse queste superstrutture sono destinate a rimanere pura teoria. Solo il tempo, e la nostra ingenuità scientifica, sapranno dircelo.